■ 孫建洋 徐躍進 陳喜平 * 黃緯 李俊斐 何勝 張馳

（1．浙江正泰太陽能科技有限公司；2．海寧正泰新能源科技有限公司）

0 引言

提升光伏組件功率可有效降低光伏發(fā)電成本，常見的提升功率手段有電學(xué)提升功率和光學(xué)提升功率兩種。其中，光學(xué)提升功率主要是通過優(yōu)化光伏組件的內(nèi)部光路結(jié)構(gòu)，從而提升光伏組件功率。通常情況下，玻璃減反射膜層、異構(gòu)焊帶、EVA透光率調(diào)控、電池片制絨與減反、電池光譜響應(yīng)，以及背板增反處理都是光伏組件各部分常用的光學(xué)優(yōu)化手段。

焊帶作為光伏組件主要的電氣連接部件，通過焊接在電池片主柵上來收集電池片的電流。常用的焊帶表面為近似平面結(jié)構(gòu)，其造成的光損失約占光伏組件功率整體的3%[1]，因此，優(yōu)化焊帶表面結(jié)構(gòu)，減小遮光損失，具有非常重要的意義。焊帶部分的光路優(yōu)化主要有以下兩個方向：1)反光膜材料：通過將鋸齒狀、弧形或V型結(jié)構(gòu)反光膜材料粘貼在焊帶表面，改變光線入射角度，增加光伏組件功率；2)異構(gòu)焊帶[2]：通過重新設(shè)計和處理焊帶表面的結(jié)構(gòu)，并減少反光面的錫層厚度來實現(xiàn)光線入射角度的改變，從而實現(xiàn)光路優(yōu)化的效果。

本文主要研究了不同表面結(jié)構(gòu)的異構(gòu)焊帶對光伏組件功率提升的影響，結(jié)合理論分析和實驗驗證，獲得合適的異構(gòu)焊帶光伏組件的安裝方式，從而提升光伏組件的發(fā)電性能。

1 異構(gòu)焊帶優(yōu)化光伏組件內(nèi)部光路的原理

1.1 異構(gòu)焊帶提升光伏組件功率的原理

光伏組件主要由玻璃、EVA、太陽電池、焊帶、EVA、背板封裝而成，其中，太陽電池和焊帶被EVA包裹。由于常規(guī)焊帶表面近似平面，因此垂直或小角度入射到焊帶上的光，大多會被焊帶反射后穿過EVA和玻璃進入空氣中損失掉，降低了光的利用率，從而降低了光伏組件功率。光線的傳輸路徑如圖1所示。

圖1 光路簡化圖

光線由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時，當入射角增大到某臨界角時，會產(chǎn)生全反射現(xiàn)象。對于光伏組件而言，EVA、玻璃的折射率n1、n2相近(分別為1.5、1.48，假設(shè)二者相等)，遠高于空氣的折射率n3(n3=1)。因此，如圖1所示，β為入射光經(jīng)焊帶反射后在EVA和玻璃界面處的入射角，βTIR為反射光在EVA和玻璃界面處的臨界角，若經(jīng)焊帶反射后的光能以大于等于βTIR的角度進入EVA和玻璃界面，其在界面處就會被反射回電池上，實現(xiàn)光線的二次利用，從而提升光伏組件功率。

其中，βTIR應(yīng)滿足式(1)：

1.2 異構(gòu)焊帶設(shè)計原理

因自然界中光線入射情況比較復(fù)雜，故將光路簡化為標準測試條件下的光伏組件受光情況。按照IEC 61215測試標準，模擬器發(fā)出的光垂直入射到焊帶表面，通過改變焊帶表面結(jié)構(gòu)來改變焊帶表面光線的反射路徑，如圖2所示。

圖2 異構(gòu)焊帶反射光路圖

計算公式為：

其中，α為異構(gòu)焊帶與電池表面的夾角；C為入射光線經(jīng)異構(gòu)焊帶反射后反射光的出射角；D 為異構(gòu)焊帶的結(jié)構(gòu)角。β應(yīng)滿足 41.6°≤β＜ 90°，反射光線才能在EVA/玻璃界面實現(xiàn)全反射。因此，焊帶表面的異構(gòu)形態(tài)需要滿足90°≤D≤138.4°。

2 理論研究與實驗分析

目前市面上的異構(gòu)焊帶結(jié)構(gòu)不盡相同，為了研究異構(gòu)焊帶表面結(jié)構(gòu)對光伏組件提升功率的影響，本文選用以下3種結(jié)構(gòu)的異構(gòu)焊帶進行理論模擬，并選用1個常規(guī)焊帶作為對比樣。幾種焊帶結(jié)構(gòu)及參數(shù)如表1所示，外觀如圖3所示。

表1 不同表面結(jié)構(gòu)的焊帶參數(shù)

圖3 常規(guī)焊帶及異構(gòu)焊帶外觀圖

從圖3可以看出，常規(guī)焊帶①的表面光滑、平緩、有光澤，當光線垂直入射時，其反射光線基本經(jīng)過EVA和玻璃重新反射回空氣中。異構(gòu)焊帶②、③、④的紋路方向、壓花循環(huán)寬度、壓花深度各有不同(具體見表1數(shù)據(jù))，當光線垂直入射至異構(gòu)焊帶表面時，通過表面的紋路以一定角度反射至EVA和玻璃界面；當滿足全反射條件后，光線重新進入電池中，從而實現(xiàn)光線的二次利用。

2.1 焊帶提升光伏組件功率的理論分析

利用理論模擬的方式，我們對采用以上4種焊帶制備的光伏組件進行了分析。表2給出了采用以上4種焊帶制備光伏組件后其內(nèi)部的光路優(yōu)化引起的電流提升。

表2 4種焊帶的理論電流提升

從表2可以看出，異構(gòu)焊帶為完美斜面時，相較于常規(guī)焊帶①，采用異構(gòu)焊帶②、③、④制備的光伏組件電流提升分別為0.98%、1.29%和2.84%。然而在實際生產(chǎn)過程中，異構(gòu)焊帶的斜面并不完美。我們采用近似圓弧面代替三角面進行模擬，可以看出，在斜面非完美時，光伏組件電流提升率下降，分別為0.62%、1.16%和2.27%。

2.2 異構(gòu)焊帶光伏組件的制備

為了和理論對比，避免其他因素對光伏組件功率造成影響，在保證電池和封裝材料一致的基礎(chǔ)上，分別利用上述4種焊帶制備多晶硅光伏組件①～組件④，每種類型的光伏組件各10塊。

對光伏組件①～組件④進行功率測試，結(jié)果如圖4所示，光伏組件功率從大到小依次為④、③、②、①。結(jié)合表1可知，這4種光伏組件采用焊帶結(jié)構(gòu)的焊帶線電阻率的大小滿足：④等于②，且大于③和①。由此可以判定，異構(gòu)焊帶光伏組件的功率增益主要來源于焊帶表面結(jié)構(gòu)變化引起的光路優(yōu)化。同時，光伏組件④和組件②的焊帶線電阻率相同，但功率提升④大于②，說明豎紋結(jié)構(gòu)的光路優(yōu)化效果比斜紋結(jié)構(gòu)更加有效；對于焊帶紋路方向相同的光伏組件③和組件④，焊帶線電阻率④大于③，而功率提升同樣是④大于③，這說明密豎紋焊帶的光路優(yōu)化效果更好。

圖4 常規(guī)及異構(gòu)焊帶光伏組件功率圖

圖5 常規(guī)及異構(gòu)焊帶光伏組件功率提升圖

對圖4的實驗結(jié)果和表2的理論數(shù)值進行對比分析，結(jié)果如圖5所示。分析結(jié)果表明，異構(gòu)焊帶光伏組件②、③、④的實驗功率較常規(guī)焊帶光伏組件①分別高了0.5%、1.18%、2%； 該值遠低于完美斜面下的理論值，但接近非理想斜面下的理論值。這一結(jié)果說明，異構(gòu)焊帶的斜面本身是不完美的，并在焊接過程中加劇了這種不完美。

2.3 異構(gòu)焊帶光伏組件的戶外發(fā)電量

因之前的理論分析及功率測試都是在光線垂直入射于光伏組件的條件下進行的，而在戶外的實際使用環(huán)境中，不同角度的入射光線在異構(gòu)焊帶表面反射時的光路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，較難進行計算分析。因此，在戶外安裝常規(guī)焊帶光伏組件①、斜紋異構(gòu)焊帶光伏組件②和密豎紋異構(gòu)焊帶光伏組件④各6塊，監(jiān)控光伏組件的發(fā)電量。對比不同時間段，即入射光線不同角度時，異構(gòu)焊帶光伏組件功率與常規(guī)焊帶光伏組件功率的差異。

持續(xù)監(jiān)控24天后，不同安裝方式下異構(gòu)焊帶光伏組件的發(fā)電量數(shù)據(jù)如圖6所示。相較于常規(guī)焊帶光伏組件，密豎紋異構(gòu)焊帶光伏組件④在橫裝、豎裝時發(fā)電量分別提升了1.60%、1.39%；斜紋異構(gòu)焊帶光伏組件②在橫裝、豎裝時發(fā)電量分別提升了0.70%、0.69%。明顯可以看出，安裝方式對斜紋異構(gòu)焊帶光伏組件發(fā)電量的影響不大，而對豎紋異構(gòu)焊帶光伏組件的影響明顯。

圖6 不同安裝方式下異構(gòu)焊帶光伏組件的戶外發(fā)電量

在安裝方式相同的情況下，橫裝、豎裝時密豎紋異構(gòu)焊帶光伏組件④比斜紋異構(gòu)焊帶光伏組件②的發(fā)電量分別高0.9%、0.7%，均低于標準條件下的提升值(1%)。為了研究這一現(xiàn)象，在進行監(jiān)控的24天采集時間內(nèi)，我們對以上兩種光伏組件同一日的發(fā)電量進行了統(tǒng)計分析，如圖7所示。

圖7 不同光伏組件單日發(fā)電量提升監(jiān)控圖

從圖7可以看出，兩種安裝方式下，斜紋異構(gòu)焊帶光伏組件②一天各時間段內(nèi)的發(fā)電量提升曲線基本相同。而豎紋異構(gòu)焊帶光伏組件④則相差較大，其豎裝時，一天內(nèi)發(fā)電量都比較平穩(wěn)；橫裝時，在9:00以前、14:00以后，發(fā)電量明顯偏低，但在陽光近似直射(輻照度高)的中午時間段，較常規(guī)焊帶光伏組件約有2.5%的功率提升(功率=發(fā)電量/發(fā)電時間)，發(fā)電量增益明顯。

3 異構(gòu)焊帶光伏組件的可靠性研究

焊帶結(jié)構(gòu)的改變可能會影響到焊接拉力，從而影響光伏組件的長期可靠性。因此，本文對以上3種異構(gòu)焊帶焊接的太陽電池進行了拉力測試，并和常規(guī)焊帶焊接的太陽電池進行了對比。如圖8所示，4種焊帶結(jié)構(gòu)與太陽電池正面的焊接拉力結(jié)果基本一致，且均合格。

圖8 不同結(jié)構(gòu)焊帶與太陽電池正面的焊接拉力圖

然而，不同焊帶結(jié)構(gòu)與太陽電池背面的焊接拉力出現(xiàn)了較大差異。如圖9所示，斜紋異構(gòu)焊帶②與太陽電池背面的焊接拉力較其他組合低了近5 N/mm。造成這一情況的主要原因是，不同于異構(gòu)焊帶③、④，異構(gòu)焊帶②的反光面無間斷性的涂錫工藝，導(dǎo)致其與背電極接觸的焊接面鍍錫層較薄(錫層厚度只有約9 μm)，無法使焊帶與太陽電池背電極之間形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的合金層，從而導(dǎo)致背面焊接拉力偏低。

圖9 不同結(jié)構(gòu)焊帶與太陽電池背面的焊接拉力圖

熱循環(huán)實驗最能體現(xiàn)焊接方面的可靠性，為滿足光伏組件在戶外的長期使用，我們對以上4種焊帶結(jié)構(gòu)的光伏組件進行了熱循環(huán)實驗，具體結(jié)果如圖10所示。

圖10 TC 200實驗前后光伏組件功率衰減圖

從圖10可以看出，熱循環(huán)實驗后，4種焊帶結(jié)構(gòu)的光伏組件功率衰減從大到小依次為②、④、①、③。其中，斜紋異構(gòu)焊帶光伏組件②的功率衰減大于5%，超出IEC 61215的要求，這和其背面焊接拉力偏低相對應(yīng)；其他3種焊帶結(jié)構(gòu)的光伏組件功率衰減相差不大，均小于2.5%，滿足IEC 61215的實驗要求。

圖11為3種異構(gòu)焊帶光伏組件經(jīng)TC 200實驗后的EL圖像。從圖中可以看出，斜紋異構(gòu)焊帶光伏組件②實驗后的EL圖像出現(xiàn)明顯的明暗片現(xiàn)象，說明在實驗過程中，其焊帶和電池之間的結(jié)合出現(xiàn)了異常。結(jié)合光伏組件②制作過程中焊接拉力的異?，F(xiàn)象，可以判定是由于斜紋異構(gòu)焊帶②的錫層較薄，導(dǎo)致TC 200實驗后光伏組件失效。豎紋異構(gòu)焊帶③、④則均滿足使用要求。

圖11 異構(gòu)焊帶光伏組件經(jīng)TC 200實驗后的EL圖

4 結(jié)語

本文分別從光伏組件的光路分析、生產(chǎn)應(yīng)用、功率、戶外發(fā)電量監(jiān)控4個方面分析了異構(gòu)焊帶提升光伏組件功率的原理及對光伏 組件可靠性的影響。結(jié)果表明，豎紋異構(gòu)焊帶對光伏組件功率的提升優(yōu)于斜紋異構(gòu)焊帶。同時，在戶外實際發(fā)電時，斜紋異構(gòu)焊帶光伏組件不受安裝方式的影響，豎紋異構(gòu)焊帶光伏組件橫裝時的發(fā)電性能優(yōu)于豎裝。對于密豎紋異構(gòu)焊帶光伏組件，在標準情況下功率可提升2%；在戶外橫向安裝時發(fā)電量可提升1.6%。目前，在光伏組件的應(yīng)用中，異構(gòu)焊帶在成本和可靠性方面都已經(jīng)具備產(chǎn)業(yè)化的條件。